一种用于流动气氛中水汽浓度控制的装置的制作方法

本发明属于机械设计领域，主要用于科研或生产领域需要精确控制流动气氛中水汽含量的场合，尤其是涉及一种用于流动气氛中水汽浓度控制的装置。

背景技术：

气氛中的含水量对于诸多科研或生产领域都有显著影响，如机动车尾气处理催化剂的性能评价、对水汽敏感的物质或器件的制备等。市场上常见的蒸汽发生器，如用于制衣厂，干洗店，饭店，馍店，食堂，餐厅，厂矿，豆制品厂等场所的蒸汽发生器，多用来蒸发液态水进入开放空间，且装置庞大，构造复杂，成本高昂。构造简单易用的装置，以精确控制“流动气氛”中的含水量，成为实验室中一线科研人员的迫切需求。

常见的处理措施是将干燥气氛通入水中鼓泡，并控制水温以达到“加湿”的目的。该方法必须通过不断的调试才可达到期望的湿度，且难以实现较大的湿度值（水温难以达到较高数值，如>100℃）或者适应较大的气流量。因此，急需一种简单高效的装置以满足精确控制大流量气氛中高含水量的需求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种易于搭建，操作简便，安全可靠的，可精确控制大流量气氛中较高含水量的装置。

为此，本发明提供了一种用于流动气氛中水汽浓度控制的装置，包括：液态水注入装置、流体管路、加热装置和外部气源，所述液态水注入装置与所述流体管路相连接以将液态水注入所述流体管路中；所述加热装置用于对所述流体管路进行加热；所述外部气源在所述加热装置的下游侧连通至所述流体管路。

本发明的用于流动气氛中水汽浓度控制的装置，利用液态水注入装置将液态水注入到流体管路内部，在加热装置的作用下将液态水转变为水蒸气，随后在加热装置的下游侧，使从外部气源流入的气流能够与水蒸气混合产生湿润气流后输出。

进一步而言，根据本发明，可控制所述液态水注入装置的液态水的注入速率和从所述外部气源流入的气流的流量以控制湿润气流（输出的流动气氛）中的水汽含量。其中，注入速率的调节使所述装置可平稳产生水汽，与所述外部气源流入的气流的流量相结合，可精确控制输出的流动气氛中的水汽含量。

较佳地，本发明的用于流动气氛中水汽浓度控制的装置还包括连接所述流体管路与所述液态水注入装置的密封件。借助于此，液态水注入装置与流体管路的连接靠密封件密封，以保证生成水蒸气的单向输出，同时干燥气流的大流速可通过伯努利原理将水汽“吸入”自身气流中。

又，较佳地，所述密封件包括分别连接于所述液态水注入装置和所述流体管路的端部处的一对螺帽、以及连接该对螺帽的螺丝；所述螺丝内腔是联通的；所述一对螺帽内分别设有橡胶密封垫。借助于此，可有效地实现液态水注入装置与流体管路之间的密封连接。

较佳地，所述外部气源经由三口阀与所述流体管路连通。借助于此，可有效地将外部气源与流体管路连通。更具体地，外部气源的进气端管路与流体管路经三口阀连通后合并成作为出气端的单一管路，由此输出湿润气流。

较佳地，所述液态水注入装置可以是蠕动泵或注射泵。

较佳地，所述加热装置为管式炉或加热带。所述加热装置的选择不限上述，只需将液态水加热变成水蒸汽即可。

较佳地，所述加热装置的温度为150～1000℃。该温度可有利于将液态水转变为水蒸气。流体管路可被加热到足够高的温度以及时蒸发掉注入的液态水，因此达到稳定输出水蒸气的目的。

较佳地，本发明的用于流动气氛中水汽浓度控制的装置还包括在所述加热装置的下游侧覆盖所述流体管路的外部的加热带。借助于此，可在流体管路前段部分使用加热装置，后段部分使用加热带。其中加热带包裹于所述流体管路表面。可根据要求的水汽分压决定是否启用加热带（若出气端水汽分压大于出气端温度下的饱和蒸气压，则需要启用加热带）。

较佳地，所述流体管路为组装件或一体式部件。

较佳地，所述流体管路为金属质耐热、耐水件。

本发明中用于流动气氛中水汽浓度控制的装置设计新颖，结构可靠，便于搭建，易于操作，控制精确，可重复使用，且用途广泛，具有极大的产业化生产价值。该装置可广泛调节水汽含量0-100 vol %，可适应较宽的气体流量范围50-10000 毫升每分钟，尤其适用于恒定的或者缓慢变化的气体流量。

附图说明

图1为根据本发明一实施形态的用于流动气氛中水汽浓度控制的装置的结构示意图；

图2为图1所示的装置中的密封件的一实施形态的结构示意图；

附图标记：

1、液态水注入装置；

11、注射器针头；

2、密封件；

21、 螺帽；

22、 螺丝；

23、 橡胶密封垫；

3、加热装置；

4、进气端；

5、出气端；

6、加热带；

7、流体管路。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提出了一种新型水汽含量控制装置的设计方案。本发明的用于流动气氛中水汽浓度控制的装置包括液态水注入装置（优选可以恒定的或者缓慢变化的速度注入液态水），加热装置（优选可以保持恒温150-1000℃），流体管路和外部气源。具体地，液态水注入装置与流体管路相连接以将液态水注入流体管路中。加热装置用于对流体管路进行加热。外部气源在加热装置的下游侧连通至流体管路。

由此，利用液态水注入装置将液态水注入到流体管路内部，在加热装置的作用下将液态水转变为水蒸气，随后在加热装置的下游侧，使从外部气源流入的气流能够与水蒸气混合产生湿润气流后输出。

更具体而言，本发明通过液态水注入装置以速率x’ml/min往流体管路中注入液态水，流体管路被加热装置加热进而蒸发其内部的液态水，产生水汽的速率x（ml/min）可用理想气体状态方程来估算：PV=nRT，其中n为物质的量，约等于x’/18 (每分钟)；R为通用气体常数，等于8.314J·mol^-1·K^-1；T为温度，以K为单位，取常温数值300K；P为压力，以Pa为单位，取常压数值101325Pa。则V = 1367.55*x’*10^-6 （以m³为单位），即x = 1367.55*x’（ml/min）。所述流体管路可被加热装置加热到足够高的温度以及时蒸发掉注入的液态水，因此达到稳定输出水蒸气的目的。随后，从外部气源通入气流，使所述气流能够与水蒸气混合产生湿润气流后输出。

由此，根据本发明，可控制所述液态水注入装置的液态水的注入速率和从所述外部气源流入的气流的流量以控制湿润气流（输出的流动气氛）中的水汽含量。其中，注入速率的调节使所述装置可平稳产生水汽，与所述外部气源流入的气流的流量相结合，可精确控制输出的流动气氛中的水汽含量。

本发明所述装置可提供含水汽0-100 vol %的流动气氛（50-10000 毫升每分钟）。本发明中所述装置用于精确调控流动气氛中的水汽含量，可平稳产生水汽，还可以重复循环利用。

另，本发明中所述装置要求流动气氛最好不含与水反应的成分。

在本发明的上述装置中，还可包括连接流体管路与液态水注入装置的密封件。借助于此，液态水注入装置与流体管路的连接靠密封件密封，以保证生成水蒸气的单向输出，同时干燥气流的大流速可通过伯努利原理将水汽“吸入”自身气流中。

优选地，该密封件可包括分别连接于所述液态水注入装置和所述流体管路的端部处的一对螺帽、以及连接该对螺帽的螺丝；所述螺丝内腔是联通的；所述一对螺帽内分别设有橡胶密封垫。但本发明不限于此，只要能够实现液态水注入装置与流体管路之间的密封连接的任何结构均可。

此外，外部气源可经由三口阀与流体管路连通。借助于此，可有效地将外部气源与流体管路连通。更具体地，外部气源的进气端管路与流体管路经三口阀连通后合并成作为出气端的单一管路，由此输出湿润气流。

又，上述装置中的液态水注入装置可以是蠕动泵或注射泵，而加热装置可以是管式炉等。所述流体管路可为组装件或一体式部件，优选为金属质耐热、耐水件。此外，在所述加热装置的下游侧可设有覆盖所述流体管路的外部的加热带，可根据要求的水汽分压决定是否启用加热带（若出气端水汽分压大于出气端温度下的饱和蒸气压，则需要启用加热带）。

图1示出了根据本发明一实施形态的用于流动气氛中水汽浓度控制的装置。如图1所示，其主要组成有：液态水注入装置1，流体管路7和加热装置3。其中，液态水注入装置1与流体管路7相连接以将液态水注入流体管路7中，加热装置3用于对流体管路7进行加热。此外还包括与水汽混合的外部气源（外部气流），该外部气源在加热装置3的下游侧连通至流体管路7。

在本实施形态中，液态水注入装置1可以是注射泵或蠕动泵等实验室常见装置，加热装置3可以是管式炉等，流体管路7可为组装式或整体式构件（一体式部件）。所述装置用到的流体管路7及其中所用部件须是金属质耐热、耐水件。

此外，还如图1所示，本实施形态中，外部气源可经由三口阀与流体管路7连通。具体地，外部气源的进气端4（干燥进气）管路与流体管路7经三口阀连通后合并成作为出气端5（湿润出气）的单一管路，由此输出湿润气流。

使用时，设定好液态水注入速度，液态水注入高温流体管路7后，迅速被蒸发而在三口阀处与外源气流混合。

若要求较大含水量的气氛，除了使用管式炉等加热装置外，如图1中所示，还可在流体管路7其他部分的外部包裹或缠绕加热带6等，以防止水分冷凝在流体管路7上。此外，还可将流体管路7整体直接包裹上加热带，或直接整体置于管式炉等加热装置中。

需要特别强调的是液态水注入装置1与流体管路7的连接靠密封件2密封，密封件2的引入是为了密封连接液态水注入装置1和流体管路7，防止产生的水蒸气从两者“连接处”逃逸（详述如下）。

图2为图1所示的装置中的密封件2的一实施形态的结构示意图，即图2给出密封件2的一种实现方式，整个密封件2在使用时按照如图2所示的方向放置。

如图2所示，密封件2可包括分别连接于所述液态水注入装置1和所述流体管路7的端部处的一对螺帽21、以及连接所述一对螺帽21的螺丝22，所述螺丝22的内腔是联通的，所述一对螺帽21内分别设有橡胶密封垫23。

更具体地，图2中右侧中的橡胶密封垫23是没有开孔的，使用时只需将液态水注入装置1的注射器针头11完全插入该橡胶密封垫23，即可避免针头被蒸汽喷出。经过实际测验，连接安全牢固，穿孔处也无蒸汽泄露。注意螺丝22内腔是联通的，可供水滴通过而进入流体管路7中。其中橡胶密封垫23对高温、高浓度水汽的环境要有一定的耐受性，可定期更换。

工业应用性：

本发明所述装置安全可靠，便于搭建，易于操作，可实现精确控制，在实验室、需精确控制水汽的生产领域等方面具有极大的产业化应用前景。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。